關(guān)于汽車鋁導(dǎo)線的研究與應(yīng)用

【摘 "要】本文主要對車用鋁導(dǎo)線進行研究與分析，主要介紹鋁線與銅線的性能差異，以及鋁導(dǎo)線在設(shè)計和制造過程中的關(guān)鍵管控要點，按照鋁導(dǎo)線的產(chǎn)品特性、品質(zhì)要求，為鋁導(dǎo)線的開發(fā)提供一套理論設(shè)計依據(jù)、生產(chǎn)制造方案以及測試方法、驗證規(guī)范。

【關(guān)鍵詞】鋁導(dǎo)線；性能差異；鋁導(dǎo)線的產(chǎn)品特性；關(guān)鍵控制要點；品質(zhì)要求；試驗標準

中圖分類號：U463.62 " " "文獻標志碼：A文章編號：1003-8639（2023）

作者簡介：黃錫江（1988—），男，主要從事汽車線束開發(fā)與研究、汽車輕量化、智能駕駛等課題研究。

收稿日期：2023-05-19

隨著汽車輕量化要求，尤其新能源汽車的要求更高，鋁導(dǎo)線的研究與應(yīng)用，不僅可以達到節(jié)能減排的目的，還可以提高純電動或混合動力汽車的續(xù)航里程等能力。

1 "當(dāng)前現(xiàn)狀與研究背景

當(dāng)前，新能源汽車高速發(fā)展，汽車輕量化設(shè)計需求進一步提升。其中電線電纜作為汽車電力傳輸?shù)闹饕悴考?，傳統(tǒng)的設(shè)計采用銅質(zhì)作為導(dǎo)體。銅芯線纜價格較為昂貴，質(zhì)量重。開發(fā)質(zhì)量輕、價格低的汽車用鋁導(dǎo)體電線電纜是汽車輕量化設(shè)計十分必要的。傳統(tǒng)電力行業(yè)采用鋁電纜由來已久，鋁電纜成本低、質(zhì)量低、使用壽命久，高壓遠距離輸電首選電纜，另外中國鋁資源豐富，材料價格波動?。▓D1），成本穩(wěn)定易控。新能源汽車行業(yè)采用鋁電纜代替銅電纜是一種理想的減重降本方案。鋁電纜在國外汽車領(lǐng)域已有應(yīng)用。國內(nèi)主機廠家已經(jīng)逐步顯現(xiàn)對鋁電纜開發(fā)和應(yīng)用的需求意向。

圖1 "鋁材價格走勢表

2 "鋁線產(chǎn)品的應(yīng)用案例

大平方汽車電線電纜會率先轉(zhuǎn)切換到鋁導(dǎo)體電纜產(chǎn)品，市場上已成熟的鋁電纜產(chǎn)品的實際應(yīng)用如下。

1）大巴車型電池包內(nèi)/外線采用超聲波焊接鋁線，大巴車型大線徑動力連接線使用量多，使用鋁線優(yōu)勢明顯。

2）乘用車型直流母線采用50mm2鋁線纜，已順利量產(chǎn)。采用超聲波焊接，有效提升接頭電接觸性能，對比銅線有效降低線束質(zhì)量。

3）交流充電槍使用高強度抗彎鋁合金線，質(zhì)量輕，老化測試性能穩(wěn)定，已逐步開始量產(chǎn)；乘用車直流充電口線使用鋁線，提高散熱性，圓型充電口端子采用超聲波焊接，顯著提升電接觸性能，降低發(fā)熱量，提升使用壽命。

3 "銅與鋁的性能差異

3.1 "銅材與鋁材的性能差異

由于鋁與銅的電阻率不同，即銅導(dǎo)體的導(dǎo)電率高于鋁導(dǎo)體，見表1，因此，鋁導(dǎo)體的電導(dǎo)率為62%IACS。當(dāng)鋁導(dǎo)體的截面積是銅的100/62≈160% （1.6倍時），鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體電氣性能一樣。同時，由于鋁的比重為2.7kg/m3，銅的比重為8.89kg/m3，故兩者的質(zhì)量比為（2.7×160%）/（8.89×1）≈50% 。

表1 "銅鋁性能差異對比

3.2 "銅線與鋁線的性能差異

當(dāng)鋁導(dǎo)體的截面積增大到銅導(dǎo)體截面積的1.6倍時，其電氣性能一致，即實現(xiàn)了和銅相同的電阻和電壓損失。此時鋁導(dǎo)體的質(zhì)量僅為銅體的1/2。但當(dāng)考慮到實際導(dǎo)線載流量時，由于鋁導(dǎo)線外徑較大，其散熱性更好，因此鋁導(dǎo)體截面為銅導(dǎo)體截面的1.42倍時，其載流量可以保持一致。銅鋁導(dǎo)線性能差異對比見圖2。

圖2 "銅鋁導(dǎo)線性能差異對比

3.3 "銅線與鋁線的各項參數(shù)對比

相同載流情況下，銅線的線徑小于鋁線（銅為鋁1.42倍），銅線質(zhì)量大于鋁線（鋁線減重在30%以上），銅線（按71000元/噸銅價）價格大于鋁線（按19000元/噸鋁價）（鋁線降本在30%），詳見表2。

表2 "銅鋁性能差異對比

4 "鋁線與端子壓接工藝

4.1 "超聲波焊接

超聲波金屬焊接原理是利用超聲波頻率（超過大于16kHz）的機械振動能量，連接同種金屬或異種金屬的一種特殊方法。焊接時，既不向工件輸送電流，也不向工件施以高溫?zé)嵩?，只是在靜壓力作用下，將彈性振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ缑娴哪Σ凉ぃ冃文軜O有限地溫升，使得焊接區(qū)域的金屬原子被瞬間激活，兩界面處的分子相互滲透，最終實現(xiàn)金屬焊件的固態(tài)連接。超聲波焊接成品詳見下圖3。

圖3 "超聲波焊接產(chǎn)品

4.2 "鋁導(dǎo)體的超聲波焊接過程

由于在壓接的過程中（圖4），鋁導(dǎo)線的線芯氧化層沒了，所以端子的壓接面在壓接后需要做特殊防氧化處理。

圖4 "超聲波焊接過程

4.3 "傳統(tǒng)冷壓接

傳統(tǒng)冷壓接：銅鋁端子采用摩擦焊技術(shù)，將銅與鋁通過摩擦焊接在一起，解決了銅與鋁無法直接壓接的問題。第一步，銅材和鋁材通過摩擦焊接加工連接在一起，制成需要端子形狀，鋁材中間按需求制成中空的管樁，便于鋁導(dǎo)線的放入。第二步，將鋁導(dǎo)線放入鋁管中，使用氣動壓接機和專用模具進行壓接。詳見圖5圖解。

圖5 "冷壓接圖解

為保證鋁導(dǎo)線的氧化層被刺破，鋁套管內(nèi)部采用魚翅鋸齒邊結(jié)構(gòu)，這樣可以使得鋁導(dǎo)線在壓接時可以完全破壞鋁導(dǎo)體的表面氧化層并增加端子的拉脫力。鋁導(dǎo)線壓接效果見圖6。

圖6 "鋁導(dǎo)線壓接效果圖

4.4 "壓接工藝對比分析（表3）

表3 "兩種壓接方式對比分析

5 "鋁導(dǎo)線線束設(shè)計標準

5.1 "相關(guān)特殊特性要求

阻燃性滿足UL94 V-0級要求，絕緣電阻應(yīng)不小于100MΩ，電線連接處壓降要求≤0.03mΩ。

禁用物質(zhì)限值滿足GB/T 30512、2000/53/EC 指令、REACH 法規(guī)和 GADSL 等清單中包括的有害物質(zhì)。

耐電壓要求在測試過程中高壓線束應(yīng)無飛弧、電暈和擊穿現(xiàn)象，且漏電流不超過10mA。

5.2 "實驗標準及測試要求

5.2.1 "電線連接實驗要求規(guī)定（圖7）

圖7 "電線連接實驗要求

5.2.2 "電壓降測試要求

鋁電纜線樣件兩端加載100A的恒流電源試驗電流，電壓降測量應(yīng)在熱平衡后進行，熱平衡至少由5次從溫度測量點的溫度數(shù)確定，每隔2min讀數(shù)一次，連續(xù)5次讀數(shù)的最大溫度差小于±2℃。電線連接處壓降要求≤0.03mΩ。

5.2.3 "耐鹽霧測試要求

試驗前試運行時間24h，氯化鈉溶液濃度（5±1）%（質(zhì)量比），氯化鈉溶液的 PH 值6.5～7.2，鹽霧沉降的速度（每 80cm2面積上/h）1～2mL/h，試驗箱溫度（35±2）℃，連續(xù)噴霧128h。用清潔的水沖洗試樣以除去表面上殘留的試驗鹽沉積物，并在常溫下恢復(fù)1～2h后觀察樣品外觀，要求無腐蝕生銹現(xiàn)象，樣品干燥后測試電壓降。

5.3 "生產(chǎn)工序關(guān)鍵控制要點

1）裁剝線。設(shè)備切線的壓力、速度、切割的壓力、轉(zhuǎn)速、切口深度都要設(shè)定。末件樣品檢驗方式：游標卡尺、鋼卷尺、目視。公差控制在L≤1000mm，±3；1001～4000mm，±5；大于4000mm，±5。剝線-0.1～+0.2mm。

2）壓接。設(shè)備需要設(shè)置壓力監(jiān)控，首末件樣品測試壓接高度、壓接寬度、拉脫力。檢驗方式：游標卡尺、5000N拉力測試儀。70mm2鋁導(dǎo)線壓接拉力要求大于3300N。

3）熱縮。熱縮機設(shè)定溫度與時間，檢驗檢驗方式：外觀目視、密封防水測試儀（控制100kpa測試）。

4）裝配與檢驗。安裝防錯治具，生產(chǎn)記錄自動保存在系統(tǒng)內(nèi)部，可通過產(chǎn)品標簽測試時間及順序號進行追溯。

其中，剝口、套料、壓接3個工序尤為關(guān)鍵，剝口過長或者過短都會影響壓接成型；套料順序錯誤或者漏套，都有線束報廢風(fēng)險；壓接不良造成功能失效，嚴重會燒車風(fēng)險。

6 "總結(jié)

通過以上對鋁導(dǎo)線設(shè)計案例的剖析，介紹了鋁導(dǎo)線的設(shè)計標準、實驗要求和制造過程各工序的關(guān)鍵管控要點，深度剖析銅鋁材質(zhì)性能差異對比，分析鋁導(dǎo)線在汽車設(shè)計中的輕量化與成本的解決方案。通過這些系統(tǒng)的方法，了解鋁導(dǎo)線線束設(shè)計及制造始末，理解鋁導(dǎo)線線束的設(shè)計理念以及設(shè)計難點，對后續(xù)鋁導(dǎo)線線束的設(shè)計、生產(chǎn)制造、品質(zhì)管控和驗證規(guī)范提供參考。

參考文獻：

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[4]GB/T 30552—2014，電纜導(dǎo)體用鋁合金線[S].

（編輯 "楊凱麟）